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ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y
ARQUITECTURA UNIDAD TICOMÀN
“CIENCIAS DE LA TIERRA”
SEMINARIO DE ACTUALIZACIÓN CON OPCIÓN A TITULACIÓN DE
“PERFORACIÓN, TERMINACIÓN Y REPARACIÓN DE POZOS
PETROLEROS”
T E S IS
“CEMENTACIÒN FORZADA”
A FIN DE OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO PETROLERO
PRESENTAN
ARELLANO DE LA CRUZ JOSÉ DEL CARMEN
CARRIÓN REDONDA FRANCISCO JAVIER
DÍAZ OLÁN ERICK
DÍAZ MATIAS GILBERTO LORENZO
GALLEGOS AGUILAR JORGE ALBERTO
ROLDÀN JIMÉNEZ JAVIER
DIRECTORES DE TESIS:
ING.MANUEL TORRES HERNÀNDEZ
ING. ALBERTO ENRIQUE MORFÌN FAURE
CD. DE MEXICO FEBRERO DEL 2019.
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
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RESUMEN
El trabajo es una recopilación de la información acerca de los temas puntuales de
lo que hoy en día es una cementación forzada y lo que esto implica, en el
últimocapítulo de este trabajo se expone un caso real donde se llevó a cabo una
cementación forzada.
En este documento se presenta la cementación de un pozo de petróleo y/o gas
constituye una operación muy importante para la productividad de un pozo. Al
inicio de la industria petrolera se tenían diversos problemas durante la perforación
y terminación del pozo; los que en parte fueron resueltos mediante la operación de
la cementación de las diferentes tuberías de revestimiento. Actualmente se han
desarrollado nuevas técnicas de cementación que permiten una mejor terminación
del pozo, y es precisamente una de ellas la que básicamente es tema de la
presente tesis.
El éxito de una operación de cementación involucra varios factores que
constituyen la eficiencia y la calidad de tuberías de revestimiento, y si cualquiera
de estos es deficiente puede originar la ruptura de ella.
Por lo general, la cementación ha sido mejorada progresivamente mediante el uso
de aditivos que permiten obtener varios tipos de lechadas de cemento las que se
pueden ajustar a los requerimientos deseados para solucionar el tipo de problema
que se pueden presentar en un pozo en particular.
Asimismo, se han desarrollado técnicas de aplicación que permiten mejorar el
desplazamiento y colocación de la lechada de cemento en la zona con problemas.
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ABSTRACT
The work is a compilation of information about the specific issues of what
nowadays forced cementation is and what this implies, in the last chapter of this
work a real case is exposed where a forced cementation is carried out.
In this document the cementing of an oil and / or gas well is presented, a very
important operation for the productivity of a well. At the beginning of the oil industry
there are various problems during the drilling and completion of the well; Those
that were partly solved by cementing the different casing pipes. Currently, new
cementing techniques have been developed that allow a better completion of the
well, and it is precisely one of them that is basically the subject of this thesis.
The success of a cementing operation involves several factors that constitute links
of a chain, and if any of these is weak it causes the breaking of it.
In general, cementation has been progressively improved by the use of additives
that allow obtaining various types of cement slurries which can be adjusted to the
desired requirements to solve the type of problem found in a particular well.
Likewise, application techniques have been developed to improve the
displacement and placement of the cement slurry in the problem zone.
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OBJETIVOS
Objetivo General: En el presente trabajo se documentó todo lo que involucre
generalidades de la cementación, y desde luego, haciendo la cementación
forzada. Al igual, que se estudiará la mejora de esta a través del tiempo, sus
antecedentes históricos, esto con el fin de visualizar la actualización que se tiene
en esta disciplina sin otro fin, más que el de satisfacer los requerimientos para
solucionar un tipo de problema en un pozo en particular.
Objetivo específico: Ejemplificar el bombeo de un tapón de cemento con
retenedor, que permita controlar la pérdida de fluido en el pozo XXXX-OO
haciendo uso de la técnica de cementación forzada.
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INTRODUCCIÓN
En los proyectos de explotación de hidrocarburos o en la misma iniciación de la
vida de un pozo existen problemas operacionales, es por ello que se considera
como paso previo el estudio de los problemas que pueden ocurrir en una
cementación forzada siendo necesario revisar los conceptos básicos de dicha
técnica, la cementación forzada como concepto se puede encontrar de diversas
formas, sin embargo, haciendo un análisis se puede concluir que la cementación
forzada es un proceso en el cual se obliga a una lechada de cemento a penetrar
en un espacio vacío y\o poroso de una formación, mediante la aplicación de una
presión hidráulica actuante desde la superficie ya sea en agujero descubierto o a
través de las perforaciones de las tuberías de revestimiento o liner.
La aplicación y beneficio de esta técnica se hace entre otras razones, para:
Eliminar altas RGLT.
Impedir el exceso de producción de agua.
Reparación de roturas de tuberías de revestimiento (casing).
Eliminar zonas de pérdida de circulación.
Block “squeezing” o cementación forzada por bloqueo.
Terminaciones de tipo permanente.
Corregir trabajos de cementación primaria defectuosos.
Abandono.
Taponear todo o parte de una o más zonas en un pozo inyector con
múltiples zonas.
Es de vital importancia esta operación en un pozo dado que cuando se tienen
cementaciones con poca o mala adherencia se refleja directamente en pérdidas
económicas para la empresa siendo este concepto el porqué de la explotación de
un pozo.
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El caso de aplicación donde hubo una perforación en la cual se presentaba una
pérdida total de fluidos la cual no permitía continuar con la misma. Por tal motivo
se bombeo un tapón de cemento con retenedor cuya finalidad es restablecer la
circulación y continuar con la perforación.
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ÍNDICE
Resumen
Abstract
Objetivos
Introducción
Índice
Anexos
Capítulo 1Conceptos y terminología de la cementación
1.1.-Geopresiones……………………………………………………………………......1
1.1.1.- Presión hidrostática…….………………………………………………………...1
1.1.2.- Presión de formación……….…………………………………………………….2
1.1.3.- Presión de sobrecarga.......……..………………………………………………..2
1.1.4.- Presión de fractura………………………………………………………………..3
1.2.- Concepto de Cementación………………………………………………………....4
1.3.- Terminología de la cementación…………..……………………………………....5
1.3.1.- Terminología que se usa en la cementación a presión……………………….6
1.4.- Clasificación de la cementación……………………………………………….…..7
1.4.1.- Cementación Primaria……………….…………………………………………...7
1.4.1.1.- Cementación en la tubería de revestimiento..............................................8
1.4.1.2.- Cementación en tuberías superficiales……………………………………….8
1.4.1.3.- Cementación en tuberías intermedias………………………………………..9
1.4.1.4.- Cementación en tuberías de explotación…………………………………...10
1.4.2.- Cementación forzada……………………………………………………………10
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1.4.3.- Tapón de circulación…………………………………………………………….13
Capítulo 2. Principios de diseño, equipos y accesorios para la cementación
2.1.- Diseño de cementación...………………………………………………………...14
2.1.1.- Procedimiento de diseño……………………………………………………..…16
2.1.1.1.-Cálculo del volumen de lechada para cementación primaria...................17
2.1.1.1.2.-Cálculo de cemento, agua y aditivos.....................................................18
2. 1.1.1.3.-Cálculo del requerimiento de materiales..............................................19
2. 1.1.1.4.- Volumen del fluido lavador y separador………………………….………19
2. 1.1.1.5.- Cálculos fundamentales a fin de cementar la tubería de
revestimiento…………………………………………………………………………..…20
2.2.- Equipos y accesorios básicos para la cementación……………………………22
2.2.1.- Cople flotador o de autollenado………………………………………..………22
2.2.2.- Centradores………………………………………………………………………23
2.2.3.- Zapata guía………………………………………………………………………24
2.2.4.- Válvula de llenado por presión diferencial………………………………….…25
2.2.5.- Limpiador de pared o raspador…………………………………………….…..26
2.2.6.- Tapón desplazador o superior…………………………………………….……26
2.2.7.- Tapón lavador……………………………………………………………………27
2.2.8.- Asentamiento de tapones………………………………………………………28
2.2.9.-Líneas superficiales de cementación……………….…………………………29
2.2.10.- Cabezas de cementación\ \ Contenedores de tapones……..………..……30
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Capítulo 3. Consideraciones para la cementación y problemas frecuentes en
tuberías de revestimiento
3.1.- Cementación de tuberías de revestimiento de explotación (Bc)……………..33
3.2.-Cementación de tuberías de revestimiento superficiales…………………..…36
3.3.- Cementación de tuberías de revestimiento intermedias………………………36
3.4.- Problemas más frecuentes y cómo solucionarlos……………………...………37
3.5.- Tiempo de la operación en la cementación…………..…………………..……37
Capítulo 4. Cementación forzada
4.1.- Conceptos y terminología de la cementación forzada…………………………39
4.2.- Técnicas de cementación forzada ………………………………………………42
4.2.1.-Cementación forzada a baja presión………………………………….………42
4.2.2.-Técnica de cementación forzada Braden head………………………………43
4.2.3.-Técnica de cementación forzada con empacador……………..……….……43
4.2.4.-Técnica de cementación forzada con “Hesitation”.....……….………….….. 44
4.2.5.-Técnica de cementación forzada corrida………………………….….………45
4.3 Tapones de cemento ……………………………………………………….………45
4.3.1 Tapón balanceado ………………………………………………………..………46
Capítulo 5. Lechada de cemento como cementación forzada
5.1.- Constituyentes y reacciones………………………..………….…………………48
5.2.- Tipos de lechada de cemento………………………………………….…………50
5.3.- Reología de la lechada de cemento………………….………………….………50
5.4.- Diseño de una lechada de cemento…………………………………….………52
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Capítulo 6.Procedimiento operacional de una cementación forzada para
realizar tapón de cemento con retenedor a 2920m en el pozo XXXX-00
6.1.- Introducción…………….……….……………….………………….……………...53
6.2.- Objetivo del trabajo…..…………………….………………………….…………..53
6.3.-Información para diseño…………………………………….…….………………53
6.3.1.- Datos del pozo…………………………………………………………………...53
6.3.2.- Datos en agujero descubierto………………………………………………….53
6.3.3.- Datos de tubería…………………………………………………………………54
6.3.4.- Estado mecánico………………………………………………………………...55
6.3.5.- Reporte de propiedades del fluido en el pozo………………………………..56
6.3.6.- Datos de temperatura del pozo………………………………………………...56
6.3.7.- Trayectoria del pozo…………………………………………………………….56
6.3.8.- Datos de la formación a intervenir……………………………………………..56
6.4.- Fluidos y secuencia de bombeo………………………………………………….57
6.4.1.- Datos de bache espaciador…………………………………………………….57
6.4.2.- Datos de lechada………………………………………………………………..57
6.5.- Personal y equipo……………………………………………………………….…57
6.6.- Requerimientos operacionales………………………………………….………..58
6.7.- Procedimiento operativo……………………………………………………….….60
Conclusiones……………………………………………………………………………62
Recomendaciones ………………………………………………………………….....63
Bibliografía………………………………………………………………………………64
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ANEXO
Anexo de figuras
Figura 1.- Presión Hidrostática…………………………………………………..………1
Figura2.-Presión de sobrecarga………………………………………………………..3
Figura3.- Presión de fractura………………………………………………………..…..4
Figura 4.-Cementación primaria…………………………………………………….…..8
Figura 5.-Tubería intermedia…….………………………………………………………9
Figura 6.-Cementación forzada………………………………………………………..10
Figura7.- Cementación forzada en TP franca………………………………………..12
Figura 8.- Tapón por circulación……………………………………………………….13
Figura 9.- Cople flotador………………………………………………………………...23
Figura 10.- Cuello flotador o de autollenado……………………………………….…23
Figura 11.- Centrador……………………………………………………………….…..24
Figura 12.- Zapata guía…………………………………………………………………24
Figura 13.-Válvula de llenado por presión diferencial……….…………………..….25
Figura 14.- Raspador……………………………………………………………………26
Figura 15.- Tapón sólido………………………………………….……………………..26
Figura 16.- Tapón desplazador……………………….…………………………..……27
Figura 17 Tapón lavador……………………………………….…………………….…27
Figura 18.-Tapónlavador………………………………………………………………28
Figura 19.- Asentamiento de tapón…………………………………………………….28
Figura 20.- Manguera mecánica 2”, 15000 psi…………………………………….…29
Figura 21.- Swivell 2 pulgs, 15000psi....................………………………………….29
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Figura 22.- Tubo integral de 2 pulgs, 15000 psi…………………..………………….29
Figura 23.- Cabeza de cementación………………………………………..…………30
Figura 24.- Posición del sujetador de tapón (vástago)…………………...………….31
Figura 25.-Posición de la cabeza de cementación durante la operación..........….31
Figura 26.- Consistómetro de cemento……………………………………………....35
Anexo de ecuaciones
Ecuación 1.1.-Presión hidrostática………………………..…………………………….1
Ecuación 1.2.-Presión de sobrecarga……………………………..……………………3
Ecuación 1.3.-Densidad promedio de la formación……………..…………………….3
Ecuación2.1.- Volumen de lechada para cementación primaria………...………...17
Ecuación2.2.- Volumen de lechada………………………………….……..…………17
Ecuación 2.3.- Volumen de lechada dentro de la TR……….….……….………..….18
Ecuación2.4.- Volumen de lechada entre tuberías……………...…………………..18
Ecuación2.5.- Densidad………………………………………………………………..19
Ecuación 2.6.-Número de sacos de cemento………………….……………………..19
Ecuación2.7.- Factor de flotación…………………………….……………..….……..21
Ecuación2.8.- Peso de tubería……………………………………………….….…….21
Ecuación2.9.- Peso de tubería flotado…………………………………………..……21
Ecuación2.10.- Volumen de lechada……………………………………………..…..21
Ecuación2.11.- Volumen de agua requerida para mezclar el cemento………..….21
Ecuación2.12.- Volumen de desplazamiento………………………….……………..22
Ecuación2.13.- Tiempo de desplazamiento…………………………………….……22
Ecuación4.1.- Volumen de lechada…………………………………………………...47
Ecuación4.2.- Requerimiento de sacos de cemento……………………………..…47
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Ecuación4.3.- Lavado químico del balance……………………………………….....47
Ecuación4.4.- Altura de la columna de cemento………………………………..…..47
Ecuación4.5.- Volumen del desplazamiento del lodo………………………..……..47
Anexo de tablas
Tabla 2.1.- Cálculo del rendimiento de cemento……………………………….…….19
Tabla 2.2.- Cálculos fundamentales para la cementación…………………….…….20
Tabla 2.3.-Factor de flotación………………………………………………………….20
Tabla 6.1.- Datos del pozo……………………………………………………..……….53
Tabla 6.2.- Datos en agujero descubierto…………………………….……………….54
Tabla 6.3.- Datos de tubería anterior……………..……………………………..…….55
Tabla 6.4.-Tabla de lodo de emulsión inversa………………..…….……………….56
Tabla 6.5.- Tabla de temperaturas del pozo………………….………………………56
Tabla 6.6.- Tabla de trayectoria del pozo.……...……………………………………..56
Tabla 6.7.- Tabla de datos de la columna Geológica………………………….…….57
Tabla 6.8.- Datos de bache espaciador……………………………………………….57
Tabla 6.9.- Datos de lechada……..…………………………………………………….57
Tabla 6.10.- Tabla de personal…………………………………………….…………..58
Tabla 6.11.- Tabla de equipo…………………………………………………………...58
Anexo de diagramas
Diagrama 3.1.- Minería de materias primas para la cementación………………..34
1
CAPÍTULO 1
CONCEPTOS Y TERMINOLOGÍA DE LA CEMENTACIÓN.
1.1 Geopresiones
Presiones que llevan el petróleo desde un yacimiento hasta un pozo productor.
Cuando comienza la producción, una caída de presión producida en la formación
que rodea al pozo hace que el petróleo fluya a través de las redes de poros
presentes en el yacimiento hacia el punto de extracción. Con la extracción del
petróleo y la subsiguiente caída de presión que se produce en el yacimiento, el
petróleo, el agua y la roca se expanden. Los cambios de presión, la expansión y el
movimiento de todos estos materiales inciden en la producción de petróleo.
1.1.1 Presión hidrostática
Es la presión ejercida por una columna de fluido en el fondo. Esta presión es
función de la densidad promedio del fluido y de la altura vertical o profundidad de
la columna de fluido.
Matemáticamente se expresa como:
(1.1)
Donde:
= Presión hidrostática
(
).
= Densidad del fluido (
= Profundidad vertical (m).
Figura 1. Presión Hidrostática
10 m
𝑉𝑜𝑙 𝑐𝑚3
𝐹 𝜌𝑓 𝑉
𝐹
𝐹 𝑘𝑔
𝜌𝑓 𝑔𝑟
𝑐𝑚3
𝐺𝑝 𝑘𝑔
𝑐𝑚2/𝑚
1cm2
2
1.1.2 Presión de formación
Es la presión natural, originada por los procesos geológicos de depositación y
compactación, a la que se encuentran sometidos los fluidos contenidos en los
espacios porosos de la formación, y pueden ser:
NORMAL- Es la presión generada por una columna de agua nativa del
lugar, desde la superficie hasta la profundidad en estudio.
ANORMAL- La que se aparta de la tendencia normal (baja o alta, siendo
esta última la de mayor frecuencia). Presiones mayores que la presión
hidrostática de los fluidos de la formación.
Por lo general, los pozos con presión normal no crean problemas durante su
planeación. Las densidades de lodo requeridas para perforar estos pozos varían
entre 1.02 y 1.14 gr/cm3. Los pozos con presiones subnormales pueden requerir
de tuberías de revestimiento adicionales para cubrir las zonas débiles o de baja
presión.
El gradiente de presión se obtiene dividiendo la presión de formación entre la
profundidad.
Gp= 0.10
/m cuando = 1
1.1.3 Presión de sobrecarga
Es la originada por el peso de los fluidos y rocas suprayacentes al punto de interés
y se calcula a partir de la densidad combinada de la matriz rocosa y de los fluidos
en los espacios porosos.
La formación debe ser capaz de soportar mecánicamente las cargas bajo las
cuales es sometida en todo momento. La presión de sobrecarga es función
principalmente de las densidades tanto de los fluidos como de la matriz, así como
3
también de la porosidad. También puede definirse como la presión hidrostática
ejercida por todos los materiales sobrepuestos a la profundidad de interés.
∑
(1.2)
Donde:
= Densidad promedio de la formación en [g/ 3].
= Profundidad en (m)
= Profundidad en (m)
: Se determina en forma directa del registro de densidad de pozos de
correlación o con la siguiente correlación empírica, si únicamente se cuenta con el
registro sónico o información sísmica.
25 ( 1.3)
Donde V es la velocidad en (m/s).
1.1.4 Presión de fractura
Figura 2. Presión de sobrecarga.
4
Es la fuerza por unidad de área requerida para vencer la presión de formación y la
resistencia de la roca. La resistencia que opone una formación a ser fracturada,
depende de la solidez ócohesión de la roca y de los esfuerzos de compresión a los
que se someta. Las formaciones superiores solo presentan la resistencia originada
por la cohesión de la roca. A medida que aumenta la profundidad, se añaden los
esfuerzos de compresión de la sobrecarga de las formaciones suprayacentes.
1.2 Concepto de cementación
El cemento es un conglomerado hidráulico, es decir, un material inorgánico
compuesto de sílice, alúmina y hierro molido, que al mezclarlo con agua y aditivos,
forma una mezcla líquida que fragua y endurece por medio de reacciones
químicas y procesos de hidratación, y que una vez endurecido conserva su
resistencia. A esta mezcla líquida se llama lechada.
La cementación es la operación efectuada en un pozo petrolero donde se mezcla
y desplaza una lechada de cemento entre la tubería de revestimiento y la
formación expuesta del agujero o revestidores anteriores con el fin de cumplir con
los siguientes objetivos:
Crear un aislamiento de zonas productoras, formaciones de alta o baja
presión y acuíferos.
Figura 3. Presión de fractura.
5
Proveer soporte al revestidor dentro del pozo.
Proteger a la TR del proceso de corrosión.
Proteger el pozo de un posible colapso.
Formar un sello hidráulico entre la T.R. y la formación.
1.3 Terminología de la cementación
Acelerador: Productos químicos que aceleran el fraguado del cemento.
Aditivo: Producto químico que se usa en pequeña proporción en la mezcla,
modifica las propiedades de la misma.
Agua de mezcla: Volumen de agua requerido para mezclar la lechada a una
determinada densidad.
Agua mínima: La cantidad de agua mínima necesaria para dar una
consistencia de 30 unidades Bearden de consistencia(Bc) después de 20
minutos de mezcla (agitación).
Unidades Bearden de consistencia (BC): La aptitud para ser bombeada o la
consistencia de una lechada, medida en unidades Bearden de consistencia
(Bc), una cantidad sin dimensiones y sin factor de conversión directa a las
unidades de viscosidad más comunes.
Agua normal (agua óptima): La cantidad de agua de mezcla necesaria para
una consistencia de 11 unidades Bearden de consistencia(Bc) después de
20 minutos de mezcla (agitación) en condiciones atmosféricas.
Bolsa de cemento: Se denomina a la bolsa de cemento utilizada en México,
Argentina, Brasil y otros países, que pesa 50 Kg.
Densidad a granel: Es el peso del material (material más el aire
entrampado) por unidad de volumen (t/m3).
Densidad: La masa o peso del material por unidad de volumen. (Se expresa
en: gr/cm3, kg/lt, lb/gal, t/m3).
6
Reductor de filtrado: Productos químicos que disminuyen la pérdida de
fluido o agua de mezcla frente a las formaciones permeables.
Reductor de fricción: Productos químicos que disminuyen la viscosidad de
la lechada de cemento.
Rendimiento: La relación entre el volumen de la lechada y el peso del
cemento. (se expresa en m3/t, gal/saco, lts/bolsa, lts/kg.).
Retardador: Productos químicos que retardan el fraguado del cemento.
Saco de cemento: Se denomina así al saco de cemento americano
empleado en algunos países, que tiene 94 libras de peso.
Tipo de mezcla: Designación (de acuerdo a normas API) dada por tres
números, donde el primero es el volumen absoluto de fly-ash o ceniza
volcánica, el segundo número es el volumen absoluto del cemento, y el
tercer número es el porcentaje de gel o bentonita basado en el peso del
cemento y el fly-ash (materiales cementantes). Esta denominación se usa
en Canadá y Mar del Norte.
Volumen absoluto: Es el volumen de material en sí mismo. (Solo el volumen
ocupado por las partículas del material en sí) por unidad de peso (m3/t).
Tapón inferior: El tapón inferior o tapón de fondo, precede a la lechada de
cemento y tiene que dejar pasar la misma una vez que hace tope contra el
collar flotador o diferencial. Deben tener un pasaje de un diámetro similar al
del interior del collar para dejar pasar la lechada sin restricciones. La parte
superior tiene un diafragma el cual se rompe con la presión de bomba,
generalmente entre 200 a 400 psi.
Tapón superior: El tapón superior se mete entre el cemento y el fluido de
desplazamiento. El tapón superior está diseñado para aguantar las
presiones de un asentado abrupto sobre el tapón inferior que fue
introducido antes y que asentó sobre el collar. Cuando se usan los dos
tapones, inferior y superior, en una cementación, siempre se deben checar
los tapones, marcarlos para no invertir el orden de colocación de los
mismos en la cabeza o al meterlos. La carga en la cabeza y la introducción
7
de los tapones siempre debe ser supervisada por el encargado de la
operación.
1.3.1 Terminología que se usa en la cementación a presión
Caudal de admisión: El caudal al cual la lechada o un fluido es inyectado en
la formación. Los límites de presión están en función de la presión de
fractura y/o presión poral, daño de formación, permeabilidad, viscosidad del
fluido, etc.
Gradiente de fractura: La relación de la presión de fractura con la
profundidad. Generalmente conocida en una zona o formación. Se expresa
en psi / pie y oscila entre 0,75 a 0,95 psi/pie para la mayoría de las zonas.
Presión de forzado: Es la presión aplicada a la formación durante el trabajo
de cementación a presión.
Presión de ruptura: Es la presión en boca de pozo que se requiere para
iniciar la fractura de una formación. Es la presión de fractura de la
formación menos la presión de la columna hidrostática de la columna de
fluido existente en la columna de trabajo más la porción en pozo
descubierto o entubado si existe.
Presión de tratamiento de fondo de pozo (bottom-holetreatingpressure): Es
la presión ejercida en la formación durante la operación de cementación. Es
la presión de superficie, más la presión hidrostática de la columna de fluido
menos la presión de fricción. Generalmente la presión de fricción se puede
despreciar debido a los bajos valores por los caudales reducidos a los que
se trabaja.
Presión final o de cierre: Es la presión final que se aplica a la formación en
la cual la misma es sellada o cerrada por la deshidratación del cemento.
1.4 Clasificación de la cementación
En general, las cementaciones se clasifican en dos tipos principales: cementación
primaria y cementación forzada o secundaria.
8
1.4.1 Cementación primaria
En esta operación se coloca la lechada de cemento en el espacio anular que está
comprendido por la tubería de revestimiento y la formación expuesta del agujero,
de tal forma que realiza un sello completo y permanente proporcionando
aislamiento entre las zonas del pozo que contienen gas, aceite y agua.
Una de las principales funciones de la cementación primaria es evitar derrumbes
de la pared de formaciones no consolidadas, dar soporte a la tubería de
revestimiento y proporcionar una reducción en el proceso corrosivo de esta con los
fluidos del pozo y con los fluidos inyectados en casos de estimulación.
Principalmente se tiene como reto obtener sellos hidráulicos efectivos en las zonas
que manejan fluidos a alta presión. Para lograrlo es indispensable mejorar el
desplazamiento del lodo de perforación del tramo de espacio anular que se va a
cementar consiguiendo así una buena adherencia sobre las caras de la formación
y de la tubería de revestimiento, sin canalizaciones en la capa de cemento y con
un llenado exitoso, es decir, abarcando toda la superficie que se pretende
cementar.
1.4.1.1 Cementación en la tubería de revestimiento
Figura 4. Cementación primaria.
9
La cementación de pozos se realiza de diferente forma para cada tipo de tubería,
debido a las condiciones mecánicas que presentan los diferentes tipos, el objetivo
principal es presentar la secuencia operativa que se debe seguir en las
cementaciones de las tuberías con el fin de mejorar la eficiencia en la operación
de campo, disminuir los problemas que se presenten, teniendo siempre en mente
los aspectos ambientales y económicos.
1.4.1.2 Cementación en tuberías superficiales
La principal función de la cementación en las tuberías superficiales, es aislar
formaciones no consolidadas y evitar la contaminación de mantos acuíferos que
se encuentren a profundidades someras, mantener el agujero íntegro y evitar una
probable migración de aceite, agua o gas de alguna arena productora superficial,
además de permitir la continuación de la segunda etapa de perforación. Cabe
mencionar que la tubería conductora está incluida en las tuberías de revestimiento
superficiales, su función principal es permitir circulación y evitar derrumbes de
arenas poco consolidadas, además de ser el primer medio de circulación de lodo a
la superficie. Esta tubería de revestimiento tiene la opción de cementarse o
hincarse según sean las condiciones del terreno. En esta etapa se instalan los
preventores para el control del pozo y tiene la particularidad de que existe un bajo
gradiente de fractura, por lo que se debe tener mucho cuidado en el diseño de la
lechada y así evitar pérdidas de circulación y daño a la formación o acuíferos que
puedan existir cercanos al pozo.
Las bajas temperaturas de la formación, retardan los tiempos de fraguado del
cemento, además por las condiciones deleznables del agujero, se dificulta la
obtención de una eficiente remoción de lodo. Esta tubería es cementada hasta la
superficie, al cemento se le agrega acelerador, no requiere la utilización de baches
lavadores ni espaciadores y no utiliza accesorios para la cementación.
10
1.4.1.3 Cementación en tuberías intermedias
Esta tubería es indispensable para mantener la integridad
del pozo al continuar con la perforación. Sus rangos de
diámetro varían de 6 5/8” a 13 3/8” y su profundidad de
asentamiento varia de 300 a 4,600 [m]. Generalmente es
la sección más larga de las tuberías en el pozo y van
corridas hasta la superficie, por lo que los preventores
deben instalarse en estas tuberías para continuar
perforando las siguientes etapas.
Las tuberías intermedias normalmente son empleadas para cubrir zonas débiles
que pueden ser fracturadas con densidades de lodo mayores, que son necesarias
al profundizar el pozo y así evitar pérdidas de circulación, también aíslan zonas de
presiones anormales y la cementación puede ser realizada con una sola lechada o
con dos diseños si el gradiente de fractura y el pozo así lo requieren.
1.4.1.4 Cementación en tuberías de explotación
Esta tubería tiene como función aislar los yacimientos de hidrocarburos de fluidos
indeseables y ser el revestimiento protector de la sarta de producción y otros
equipos que se usan en el pozo.
En la cementación de esta sarta se debe tener minucioso cuidado debido a la
calidad que se exige y a los atributos requeridos para considerarse como una
operación exitosa. El aislamiento eficiente en esta tubería permite efectuar
apropiadamente tratamientos de estimulación para mejorar la producción del pozo.
Figura 5 Tubería intermedia.
11
Empacador
Tubería
1.4.2 Cementación forzada
La cementación secundaria o forzada es la operación donde se inyecta cemento a
presión hacia el espacio anular a través de los disparos previamente realizados en
la tubería de revestimiento, esta acción se usa como medida correctiva de la
cementación primaria cuando esta no fue
exitosa o en diversas reparaciones.
La cementación forzada tiene diversas aplicaciones durante las fases de
perforación y terminación, entre las que destacan:
Eliminar la entrada de agua de la zona inferior y superior, dentro de una
zona de hidrocarburos.
Reparar un trabajo de cementación primaria que falló debido a que el
cemento dejo un canal de lodo originando una canalización o cuando una
insuficiente altura fue cubierta con cemento.
Abandonar una zona depresionada no productora.
Reducir la relación de gas-aceite por aislamiento de la zona de gas, de un
intervalo adyacente al intervalo de aceite.
Reparar una fuga en la tubería de revestimiento debido a la corrosión de la
misma en zonas expuestas.
Figura 6. Cementación Forzada.
12
Taponar todo o parte de una zona en un pozo inyector con zonas múltiples,
de tal forma que la dirección de los fluidos inyectados sea la deseada.
Sellar zonas de pérdida de circulación.
Evitar migración de fluidos entre las zonas productora y no productora de
hidrocarburos.
Debido a que los resultados de la cementación primaria no siempre son exitosos o
se deterioran con el paso del tiempo, se recurre a un trabajo de cementación
forzada, esta técnica comúnmente es más difícil y tiene un mayor campo de
aplicación que la cementación primaria. Las operaciones de cementación forzada
se desarrollan durante la perforación, terminación de un pozo, para reparación o
intervención posterior.
El elemento clave de una cementación forzada es la colocación del cemento en el
punto deseado o en puntos necesarios para lograr el propósito. Puede ser descrita
como el proceso de forzar la lechada de cemento dentro de los agujeros en la
tubería de revestimiento y las cavidades detrás del mismo. Los problemas que
soluciona una cementación forzada se relacionan con el objetivo de aislar zonas
productoras.
Figura. 7 Cementación Forzada en TP franca.
13
Una cementación forzada diseñada de forma adecuada, tiene como resultado la
construcción de un sello sobre los agujeros abiertos en la formación y la tubería de
revestimiento, dicho enjarre forma una pared casi impermeable. En los casos en
que la lechada se coloca dentro de un intervalo fracturado, los sólidos del cemento
deben desarrollar un enjarre sobre las caras de la fractura.
Para llevar a cabo los trabajos de cementación a presión, se requiere el empleo de
un empacador recuperable o permanente, según sea el caso con el objetivo de
aislar el espacio anular del pozo, por medio de este se deja directamente
comunicada la zona donde se requiere hacer la inyección del cemento con la sarta
de trabajo, se obtiene un rango mayor en la presión de operación y mayor
seguridad de confinamiento de la lechada.
1.4.3 Tapón por circulación
Es la técnica balanceada de colocación de un volumen relativamente pequeño de
cemento a través de una tubería de perforación, producción, o con auxilio de
herramientas especiales en una zona determinada, en agujero descubierto o
tubería de revestimiento. Su finalidad es proveer un sello contra el flujo vertical de
los fluidos o proporcionar una plataforma o soporte para el desvío de la trayectoria
del pozo.
Sus objetivos son:
Aislar un intervalo productor en forma temporal; reparar roturas en la
tubería de revestimiento con una cementación forzada.
Colocación de un tapón de cemento en forma temporal para proteger la
tubería de revestimiento más profunda y evitar un estallamiento de la
tubería en el punto más débil.
Tapón de cemento de abandono en pozos improductivos.
14
Tapón de cemento en agujeros descubiertos, o ventana de la tubería de
revestimiento (TR) para desviar el pozo.
CAPÍTULO 2
PRINCIPIOS DE DISEÑO, EQUIPOS Y ACCESORIOS PARA LA
CEMENTACIÓN
2.1 Diseño de cementación
La información es parte esencial para una buena cementación. La planeación de
gabinete nos permite predecir el comportamiento mediante la simulación de la
cementación del pozo. La información que se requiere es la siguiente:
Definir el objetivo particular de la cementación.
Recopilar información del pozo como son:El estado mecánico, historial de
perforación, diseño de TR (Memoria de cálculo), programa de introducción
de TR (accesorios, combinaciones, centradores).
Registros de calibración y desviación con temperatura de fondo del pozo e
información litológica.
Figura 8 Tapón por circulación (TxC).
15
Cálculos correspondientes.
Información de laboratorio
La información de laboratorio se refiere a los diseños de la lechada, en función de
la tubería que se va a cementar.
Cemento: Diseño de la lechada que se va a usar en el pozo. Para hacerlo
se deben considerar parámetros reológicos en función del fluido de control
de la perforación, valor de filtrado, agua, tiempo de bombeo y resistencia a
la compresión de acuerdo con los diseños de laboratorio.
Frentes de limpieza: Normalmente se bombea el fluido lavador y un fluido
espaciador con la finalidad de lavar y acarrear los sólidos que genera la
barrena. El fluido lavador normalmente tiene densidad de 1.0 [g/cm3] y el
del volumen espaciador depende de la densidad que tenga el fluido de
control que se tenga en el pozo,de tal manera que los frentes reúnan
requisitos como: tipo, volumen, densidad y compatibilidad con el fluido de
control y la lechada.
Materiales: Los materiales que se usan en la cementación de las tuberías
de revestimiento son similares a los empleados en la tubería superficial,
intermedia y de explotación. Éstos dependen de la tubería que se va a
cementar.
Para un diseño de cementación en campo es fundamental la obtención de
información y aplicar la metodología en forma adecuada; los datos requeridos para
el diseño son:
Características del pozo
Tipo de operación.
D = Diámetro promedio del pozo [pg].
H = Profundidad del pozo [m].
Te=Temperatura estática de fondo [°C].
Ángulo de desviación, en grados con respecto a la vertical.
Punto de desviación [m].
16
Manifestación de flujo de agua dulce, salada, sulfurosa, gas, aceite,
a la profundidad [m].
Pérdida de circulación, moderada, parcial, total a la profundidad del
pozo [m].
ρfc = Densidad de fluido control [g/cm3].
ρr = Densidad equivalente de fractura [g/cm3].
Características de la tubería a cementar:
D= Diámetro [pg], longitud [m].
Gr=Grado, longitud [m].
W= Peso [lb/pie].
Zapata tipo a la profundidad [m].
Cople tipo a la profundidad [m].
Centradores: Cantidad, marca, disposición en las zonas de interés.
Cople de cementación múltiple: A la profundidad de interes[m].
Colgador T.R. corta: a la profundidad considerada [m].
Conector complemento de T.R. corta, tamaño, profundidad [m].
DTP = Diámetro de tubería de perforación [pg], peso [lb/pie].
Tubería anterior:
D=Diámetro interno [pg], longitud [m]
Gr=Grado.
W=Peso [lb/pie].
H=Profundidad [m].
Características del fluido de perforación:
Base del fluido.
ρ = Densidad [g/cm3].
Viscosidad [cp].
Punto de cedencia [lb/100 2].
Información adicional:
17
Cima del cemento [m].
Zonas de interés localizadas [m].
Características de las bombas para efectuar el desplazamiento (las
del equipo de perforación o las del equipo de cementación).
Número de etapas, con la profundidad [m] de la cima de cemento de
cada etapa.
2.1.1 Procedimiento de diseño
Obtención del diámetro promedio del pozo.
El diámetro promedio se define por medio de un registro de calibración reciente
del pozo que se va cementar. Se consideran secciones en donde predomine cierto
diámetro o dividiendo en secciones cortas de igual longitud, determinando en cada
sección un diámetro promedio o predominante. Otro procedimiento es tomar el
diámetro de la barrena y adicionar un porcentaje de exceso que varía en función
del tipo de formación del 10 para rocas compactas y hasta el 50% en rocas poco
consolidadas.
2.1.1.1 Cálculo del volumen de lechada para cementación primaria
Volumen de la lechada es una función directa de la geometría del pozo, del
diámetro de la tubería que se va a cementar y de la longitud del espacio anular por
cubrir. Con el diámetro promedio del pozo, determinado de acuerdo con el punto
anterior, y el diámetro externo de la tubería que se va a cementar, se puede
calcular la capacidad del espacio anular por unidad de longitud, por medio de la
fórmula:
[ 3] [ 2 [ ]
2 [ ]] [ ] (2.1)
Donde:
18
= - Longitud del espacio anular por cubrir [ ]
En el caso de otra tubería cementada con anterioridad en la sección con cemento,
se debe emplear para el cálculo el diámetro interno de la tubería ya cementada y
el diámetro externo de la tubería por cementar y así calcular el volumen
correspondiente a esta parte.
También se obtienen estos valores empleando una tabla de volúmenes de las
compañías de servicio. Con la capacidad del espacio anular entre tubería de
revestimiento y agujero por unidad de longitud o cualquiera de las capacidades
que a continuación se citan se aplica la siguiente fórmula para determinar el
volumen en la longitud que se desea cubrir con cemento:
[ ] [
] [ ]
(2.2)
En los casos en donde se aplique un porcentaje en exceso de lechada para
compensar la falta de uniformidad del diámetro del pozo, el porcentaje se aplica
únicamente al volumen de lechada calculado del espacio anular entre tubería a
cementar y agujero descubierto.
Además se calcula el volumen de lechada que queda dentro de la tubería de
revestimiento, del cople a la zapata, empleando la siguiente fórmula:
[ ] [
] [ ]
(2.3)
En muchos casos, el cemento cubre toda la longitud del agujero y un traslape
entre la tubería por cementar y la última tubería cementada, como es el caso de la
cementación de tuberías de revestimiento cortas. Algunas tuberías superficiales se
cementan hasta superficie; otras superficiales e intermedias se cementan en parte
de la longitud entre tuberías. En estos casos el volumen de lechada entre tuberías,
19
se debe calcular con el diámetro interior de la tubería cementada con anterioridad
y el diámetro exterior de la tubería por cementar, con la siguiente fórmula:
[ ] [
] [ ]
(2.4)
El volumen de lechada por emplear es la suma de los volúmenes calculados,
según el caso.
Densidad de lechada
La densidad de la lechada debe ser invariablemente un poco mayor que la
densidad del fluido de perforación para mantener el control del pozo.
La densidad del fluido de perforación está directamente ligada a la presión de
fractura de la formación y a la existencia de zonas de presión anormal o existencia
de zonas débiles, por lo cual la densidad de la lechada no puede diferir
drásticamente de este juego de presiones. La diferencia de densidades entre la
lechada de cemento y el fluido de perforación generalmente está en el orden de
0.1 a 0.4 [g/cm3].
2.1.1.1.2 Cálculo de cemento, agua y aditivos
La cantidad de cemento idónea para obtener el volumen de lechada necesario, se
calcula sobre la base del rendimiento que se obtiene de cada saco de cemento.
Se debe considerar el diseño por medio de un balance de materiales, como se
presenta en el siguiente ejemplo:
Si la densidad del fluido de perforación es igual a 1.70 [g/cm3] y la temperatura
estática del fondo es mayor de 100 [°C], se emplea una densidad de lechada de
1.93 [g/cm3].
20
Material Peso[Kg] Agua [Lt] Rendimiento
[Lt/Saco]
Cemento X 50 38% — 19 15.8
Arena de
Sílice[35%]
17.5 40% --- 07 6.6
Suma de agua 26 26 26
Total 48.4
Tabla 2.1 cálculo del rendimiento de cemento
Del balance anterior, se desprenden los siguientes parámetros:
[ / 3]
(2.5)
Rendimiento= 48.4 [lt/saco]; Agua = 26 [lt/saco]
2.1.1.1.3 Cálculo del requerimiento de materiales
Suponiendo que se desea tener un volumen de lechada de 90,000 [lt] con
características apropiadas para obtener un flujo turbulento o poder desplazar al
mayor gasto posible.
Empleando los datos de la lechada a usar, determinados en el balance de
materiales se tiene:
[ ]
[
]
[ ]
4 4[
] [ ](2.6)
Peso de cemento = 1,860 [sacos] x 50 [kg/saco] = 93,000 [kg] = 93 [ton]
Harina sílica 1,860 [sacos] x 17.5 [kg/saco] = 32,550 [kg] = 32.55 [ton]
Agua de mezcla = 1,860 [sacos] x 26 [lt/saco] = 48,360 [lt] = 48.36 [ 3]
2.1.1.1.4 Volumen del fluido lavador y separador
El objetivo principal de emplear un volumen lavador es dispersar el lodo de
perforación del espacio anular. Para lograrlo se incorpora al flujo el fluido floculado
21
que se encuentra depositado en regiones del anular en donde no exista
circulación. Si no se centra la tubería que se va a cementar, o si se desprende
gran parte de la película de lodo (enjarre), generalmente la densidad del frente
lavador es igual a la del agua o muy próxima. Otros de los objetivos de emplear un
volumen separador es levantar el lodo dispersado por el frente lavador
eliminándolo del espacio anular por cubrir con cemento, en función a su
viscosidad; también separar el fluido de perforación de la lechada de cemento, ya
que su incompatibilidad normal puede originar alta viscosidad e inclusive, un
problema de fraguado prematuro o de no fraguado, dependiendo de la base del
lodo, de las sales que contenga y del porcentaje de contaminación.
2.1.1.1.5 Cálculos fundamentales a fin de cementar la tubería de
revestimiento
Se tiene la información con la que se cuenta antes de realizar la operación.
-Información disponible:
Densidad del fluido de control pfc [gr/cm3]
Densidad del acero pac=7.85[gr/cm3]
Densidad del cemento pc[gr/cm3]
Grado de la tubería Gr
Peso de la tubería WTR [lb/pie]
Longitud por grado de la tubería [m] LTR
Capacidad de la tubería de
revestimiento
CTR [lt/m]
Tabla 2.2Cálculos fundamentales para la cementación
-Información por calcular:
Factor de Flotación FF Unidades
Peso teórico de la WT [lb]
22
tubería
Peso físico de la tubería WF [lb]
Volumen de la lechada Vlc [lt]
Volumen de agua de
mezcla
Va [lt]
Volumen de
desplazamiento
Vd [lt]
Tiempo de
desplazamiento
T [min]
Gasto de
desplazamiento
Q [lt/emb]
Presión diferencial Pd [kg/cm2]
Tabla 2.3Factor de flotación
Factor de flotación
Este factor se calcula de acuerdo con la siguiente ecuación:
Donde:
fc.- Densidad del fluido de control [g/cm3].
ac.- Densidad del acero [g/cm3] = 7.85 [g/cm3]
Peso teórico de la tubería
Para el cálculo se emplea la siguiente ecuación:
[ ]
Donde:
LTR.- Longitud de la TR [m].
WTR.- Peso de tablas de TR [lb/m].
Si se tienen tuberías de diferente peso, éste se debe calcular por secciones.
Peso físico de la tubería
23
[ ]
Donde:
WT.- Peso teórico de la tubería [kg].
FF.- Factor de flotación.
Volumen de lechada
Se aplica la siguiente ecuación:
[ ] [ ] [
]
Cálculo del volumen de agua requerida para mezclar el cemento
Se aplica la siguiente ecuación:
[ ] [ ] [
]
Cálculo del volumen de desplazamiento
Se toman en cuenta las diferentes capacidades de la TR y se utiliza la siguiente
ecuación:
[ ] [
] [ ]
Donde:
CTR.- Capacidad de la TR [lt/m].
LTR.- Longitud de la TR hasta el cople flotador [m].
Como el volumen a desplazar es grande en estas tuberías, es necesario reducir el
tiempo de desplazamiento para evitar un problema de fraguado prematuro. Por lo
tanto, se debe desplazar con la bomba del equipo y calcular el tiempo de
desplazamiento [T].
Tiempo de desplazamiento
Utilizando la siguiente ecuación:
24
[ ]
Donde:
Vd.- Volumen de desplazamiento [lt].
Q.- Gasto de la bomba [lt/emb].
epm.- Número de emboladas por minuto.
Ef.- Eficiencia [%].
2.2 Equipos y accesorios para la cementación
Los accesorios que se emplean en la operación de cementación de la tubería de
revestimiento se indican a continuación:
2.2.1 Cople flotador o de autollenado
El equipo de flotación consiste en zapatas y coples especiales con válvulas de
contrapresión que impiden la entrada de los fluidos. Conforme la tubería se baja,
la carga al gancho se reduce en la misma magnitud dada por el peso del fluido
desplazado en la sarta. La tubería se llena desde superficie, monitoreando un
indicador en donde se observa el peso sobre la polea viajera. La secuencia del
llenado es generalmente cada 2 a 4 tramos, sin embargo algunas tuberías de
diámetro mayor o de pared delgada requieren llenarse con más frecuencia para
impedir el colapso en la tubería.
Figura 9.- Cople flotador
25
Un collar de flotación o de autollenado se coloca para proveer un asiento en donde
se detengan los tapones y de esta forma finalizar el desplazamiento del cemento.
Figura 10.- Cuello flotador o de autollenado
2.2.2 Centradores
Una necesidad es el centrado de la tubería de revestimiento que se va a cementar
debido a la falta de eficiencia en el desplazamiento del fluido de control obtenido
cuando no se tiene un centrado aceptable de las tuberías, respecto a la geometría
del pozo.
Los centradores tienen las siguientes ventajas:
Ayudar a centrar la tubería de revestimiento, permitiendo una distribución
homogénea del cemento en torno a la tubería.
Ayudar a reducir el arrastre de la tubería en el pozo durante la operación de
corrido de la misma.
Evitar el pegado o atascamiento por presión diferencial de la tubería de
revestimiento.
Incrementar la turbulencia del fluido, asimismo ayuda a eliminar el enjarre
del pozo.
26
Figura 11.- Centrador
2.2.3. Zapata guía
Las zapatas guía se utilizan generalmente en agujeros de moderada profundidad
conjuntamente con un collar de flotación o de auto llenado. La zapata con orificios
laterales permite el flujo a través de esta, lo cual facilita la bajada del revestidor
hasta el fondo durante la cementación. Los orificios laterales también mejoran la
remoción del lodo y las operaciones de lavado cuando se precisa circular para
evitar el atascamiento de la tubería de revestimiento. Para guiar la tubería de
revestimiento en el pozo y proteger los extremos de la misma se coloca en el
primer tramo.
Figura 12.- Zapata guía
2.2.4. Válvula de llenado por presión diferencial
Su función es llenar y regular automáticamente el nivel de fluido en el interior de la
tubería. La unidad de llenado diferencial, mantiene el revestidor lleno hasta en
27
90%, respecto al nivel de fluido que se tiene en el espacio anular. El equipo de
llenado diferencial a menudo se utiliza en sartas largas para reducir los aumentos
de presión y posibilidad de daños en la formación los cuales son normalmente
asociados a los equipos de flotación. El equipo de llenado diferencial a menudo se
utiliza en sartas largas para reducir los aumentos de presión y la posibilidad de
daños en la formación, los cuales se asocian a los equipos de flotación. La
característica de regulación de nivel de fluido reduce la carga de la polea viajera y
evita el sobre flujo cuando el anular no se encuentra restringido. Se establece la
circulación en cualquier sentido sin dañar la válvula. La válvula reinicia su
funcionamiento operacional cuando el nivel de fluido del revestidor y el anular
alcancen el diferencial de diseño.
Figura
13.- Válvula de llenado por presión diferencial.
Posición de corrida Posición de flujo Activación de la válvula
28
2.2.5. Limpiador de pared o raspador
Los limpiadores o raspadores de pared (en algunas ocasiones denominados
también agitadores de lodo) se instalan en el exterior de la tubería de
revestimiento para remover mecánicamente el enjarre en la pared del pozo con
puntas de acero de resorte o cables.
Figura 14.- Raspador
2.2.6. Tapón desplazador o superior
Los tapones de desplazamiento son barreras semirígidas que se usan a fin de
separar el cemento de los fluidos de perforación, limpiar el interior de la tubería e
indicar cuando se termina la cementación. Los tapones superiores a menudo se
usan solos y se diseña para soportar la presión y fuerza generada ante un
asentamiento repentino. Cuando se usa junto con el tapón inferior se debe tener
cuidado de no instalarse al revés.
29
Figura 15.- Tapón sólido
Figura16.- Tapón desplazador
2.2.7. Tapón lavador
Este accesorio utiliza un núcleo hueco y una membrana delgada, que se diseña
para romperse con presión hidráulica (entre 100 a 200 psi) y permitir el flujo
cuando el tapón se encuentra asentado. Los tapones inferiores también poseen un
asiento para apoyar a los tapones superiores y detener su desplazamiento. El
tapón lavador se desplaza con el bache bombeado. Limpia el lodo, los sólidos de
la pared en la tubería de revestimiento y evita que los sólidos vayan adelante del
tapón. Cuando el tapón de fondo llega al cople flotador o zapata flotadora, la
presión diferencial entre el interior de la tubería de revestimiento y el espacio
anular rompe el diafragma en la parte superior del tapón y permite que la lechada
fluya, salga de la zapata, suba al espacio anular. El
cuerpo del tapón es lo suficientemente fuerte como
para soportar las fuerzas de impacto y presión diferencial
a la ruptura.
Membrana que se rompe
30
Figura 17.- Tapón lavador
Figura 18.- Tapón lavador
2.2.8. Asentamiento de tapones
El asentamiento de un tapón es un factor importante dado que indica que la
lechada de cemento en el interior de la tubería de revestimiento se desplazó. El
asentamiento de tapones se llama presión final, una vez que los tapones se
encimaron se le aplica 500 psi más como margen de seguridad, en la figura 19 se
observa la posición final de los tapones antes de ser molidos por la barrena.
Figura 19.- Asentamiento de tapón
Acople de los tapones
Barrena
Cuello flotador (válvula tipo pistón)
Tapón inferior
Tapón superior
31
2.2.9. Líneas superficiales de cementación
Las líneas superficiales de cementación se diseñan a fin de soportar presiones
hasta de 15,000 psi. Las herramientas son: manguera metálica, tubo recto y
swivell. Esta herramienta en su interior transporta la lechada desde la unidad de
alta presión (U.A.P.) hasta la cabeza de cementación.
Figura 20.- Manguera metálica 2 pulgadas, 15000 Psi
La función de una manguera metálica es conectar en desniveles y adaptar al
swivell, tubos y cabeza de cementación. Esta herramienta ayuda como ajuste en
la conexión en el piso de perforación.
Figura 21.- Swivell de 2 pulgadas,15000 psi
El swivell se compone de tres pistas o tres hileras de balines que permiten una
buena rotación de las mismas para de esta forma facilitar el trabajo y dar un
margen de seguridad a la operación para una posible fuga.
32
Figura 22.- Tubo integral de 2 pulgadas, 15000 psi
Como adaptación de la unidad de alta al pozo. Los tubos se usan para conectarse
de la unidad de alta presión hasta el piso de perforación, dado que esta distancia
es mayor; sus medidas son: 1, 2, 3 y 4 mts. de longitud.
2.2.10. Cabezas de cementación // contenedores de tapones
Las cabezas de cementación que se usan en la operación correspondiente se
deben adaptar a la tubería de revestimiento, bomba, tapones de cementación en
el momento adecuado. Los tapones de cementación se usan para separar los
fluidos del pozo de la lechada del cemento. En la cabeza de cementaciones se
tienen uno o dos tapones cuya función es retener los tapones para desplazar el
cemento.
33
Figura 23.- Cabeza de cementación.
En la figura anterior, se observa la cabeza de cementación y sus accesorios, así
como el tornillo sujetador durante el bombeo de la lechada.
Figura 24.- Posición del sujetador de tapón (vástago)
34
En la figura anterior, se muestra la posición del vástago en forma activada, su
función es retener el tapón lavador y posteriormente soltarlo mediante la operación
de giro para que este se retraiga permitiendo el paso del tapón.
Figura 25.- Posición de la cabeza de cementación durante la operación
En la figura anterior, se indica el acoplamiento de la cabeza de cementación en la
tubería de revestimiento, así como los elevadores que auxilian la operación sobre
la tubería.
35
CAPÍTULO 3
Consideraciones para la cementación y problemas frecuentes en
tuberías de revestimiento
La cementación de pozos se realiza de diferente forma para cada tipo de tubería,
debido a las condiciones mecánicas que presentan los diferentes tipos, el objetivo
principal es presentar la secuencia operativa que se debe seguir en las
cementaciones de las tuberías con el fin de mejorar la eficiencia en la operación
de campo, disminuir los problemas que se presenten, teniendo siempre en mente
los aspectos ambientales y económicos.
3.1.- Cementación de tuberías de revestimiento de explotación
(Bc)
Se considera que la sarta de explotación es el propio pozo y la profundidad de
asentamiento de esta tubería es uno de los principales objetivos. Esta tubería
tiene como función aislar los yacimientos de hidrocarburos de fluidos indeseables
y ser el revestimiento protector de la sarta de producción y otros equipos utilizados
en el pozo. En la cementación de esta sarta de tubería se debe tener cuidado
debido a la calidad exigida y a los atributos requeridos para considerarse como
operación exitosa. El aislamiento eficiente de esta tubería nos permite efectuar
tratamientos de estimulación necesarios para mejorar la producción del pozo.
Consistómetro de cemento: La presurización y la presión atmosférica del
consistómetro usado en la prueba de fraguado de cemento consiste de un cilindro
rotatorio que contiene lodo líquido equipado con una palanca estacionaria
ensamblada, todo adjunto en una cámara de presión capaz de soportar
temperatura y presión en la operación de cementación del pozo. La cámara
cilíndrica del lodo líquido es rotada a 150 rpm durante la prueba. La consistencia
del lodo líquido se define en término del torque ejercido en la palanca por el
cemento del lodo líquido. La relación entre el torque y la consistencia del lodo
líquido está dada por:
36
Donde T= torque en la palanca en g-cm yBc= la consistencia del lodo líquido en
°API (unidad de consistencia designada para Bc). Este valor toma sentido para ser
representativo del límite superior de bombeabilidad. La temperatura y la presión
fijan el seguimiento durante la prueba que se debe dar con el tiempo de
espesamiento para que los resultados de la prueba sean válidos. Hoy en día, 31
publicaciones catalogan como disponibles para la simulación varias operaciones
de cementación. Clasifican 6, designadas para la simulación, las condiciones de
simulación promedio encontradas durante la cementación del casing a una
profundidad de 10,000 pies, se indica en el siguiente diagrama
37
Figura 26.- Consistómetro de cemento.
38
3.2.- Cementación de tuberías de revestimiento superficiales
La principal función de la cementación en las tuberías superficiales, es aislar
formaciones no consolidadas y evitar la contaminación de mantos acuíferos que
se encuentren a profundidades someras, mantener el agujero íntegro y evitar una
probable migración de aceite, agua o gas de alguna arena productora superficial,
además de permitir la continuación de la segunda etapa de perforación. Cabe
mencionar que la tubería conductora está incluida en las tuberías de revestimiento
superficiales, su función principal es permitir circulación y evitar derrumbes de
arenas poco consolidadas, además de ser el primer medio de circulación de lodo a
superficie. Esta tubería de revestimiento tiene la opción de cementarse o hincarse
según sean las condiciones del terreno. En esta etapa se instalan los preventores
para el control del pozo y tiene la particularidad de que existe un bajo gradiente de
fractura, por lo que se debe tener cuidado en el diseño de la lechada y así evitar
pérdidas de circulación y daño a la formación o acuíferos que puedan existir
cercanos al pozo. La baja temperatura en la formación, retardan los tiempos de
fraguado del cemento, además por las condiciones deleznables del agujero, se
dificulta la obtención de una eficiente remoción de lodo. Esta tubería se cementa
hasta superficie, al cemento se le agrega acelerador, no requiere el uso de
baches lavadores ni espaciadores y no usa accesorios para la cementación.
3.3.- Cementación de las tuberías de revestimiento intermedias
Esta tubería es indispensable para mantener la integridad del pozo al continuar
con la perforación. Sus rangos de diámetro varían de 6 5/8” a 13 3/8” y su
profundidad de asentamiento varía de 300 a 4,600 m. Generalmente es la sección
más larga de las tuberías en el pozo y van corridas hasta superficie, por lo que los
preventores deben instalarse en estas tuberías para continuar perforando las
siguientes etapas. Las tuberías intermedias normalmente se emplean para cubrir
zonas débiles que pueden ser fracturadas con densidad de lodo mayores,
necesarias al profundizar el pozo y evitar pérdidas de circulación, también aíslan
zonas de presión anormal y la cementación se realiza en una sola lechada o con
dos diseños si el gradiente de fractura y el pozo así lo requieren.
39
3.4.- Problemas frecuentes y cómo solucionarlos
La cementación forzada es la operación donde se inyecta cemento a presión hacia
el espacio anular a través de los disparos previamente realizados en la tubería de
revestimiento, esta acción se usa como medida correctiva de la cementación
primaria cuando esta no fue exitosa o en diversas reparaciones.
La cementación forzada tiene diversas aplicaciones durante las fases de
perforación y terminación, entre las que destacan:
Reparar un trabajo de cementación primaria que fallo debido a que el
cemento dejó un canal de lodo originando una canalización o cuando una
insuficiente altura fue cubierta con cemento.
Eliminar la entrada de agua de la zona inferior y superior, dentro de una
zona de hidrocarburos.
Reducir la relación gas-aceite por aislamiento de la zona de gas, de un
intervalo adyacente al intervalo de aceite.
Reparar una fuga en la tubería de revestimiento debido a la corrosión de la
misma en zonas expuestas.
Abandonar una zona depresionada no productora.
Taponar todo o parte de una zona o más de un pozo inyector con zonas
múltiples, de tal forma que la dirección de los fluidos inyectados sea la
deseada.
Sellar zonas de pérdida de circulación.
Evitar migración de fluidos entre las zonas productora y no productora de
hidrocarburos.
40
3.5.- Tiempo de operación en la cementación
La operación del tiempo de bombeo se determina en función de la operación más
un tiempo de seguridad que cubre imprevistos de bombeo. Este tiempo de
seguridad varía de 1 a 3 horas, dependiendo del volumen y profundidad del pozo.
Es importante resaltar que este tiempo de seguridad se cumple en condiciones
dinámicas, los periodos de suspensión de bombeo afectan drásticamente el
tiempo de fraguado, ya que el cemento desarrolla gelificación en estado estático y
esta no es una característica definida ya que depende de los materiales que se
usan y la temperatura del pozo.
Cuando el cemento alcanza el tiempo bombeable, la lechada no puede ser
desplazada en una tubería con presiones razonables de bombeo. Aunque el
cemento se hace no bombeable, no debe confundirse con el fraguado de cemento
que ocurre mucho después cuando el cemento alcanza entre 15-20 psi de
resistencia. En la práctica el tiempo de espesamiento se traslada a tiempo de
bombeo, y es el tiempo que dispone el operador para colocar el cemento en el
pozo.
41
CAPÍTULO 4
CEMENTACIÓN FORZADA
4.1 Conceptos y terminología de la cementación forzada
Hay muchos conceptos que han sido usados para explicar que sucede en la
cementación forzada.
Algunos de esos conceptos erróneos son:
a) El cemento a presión atraviesa los huecos o perforaciones del “casing” a
alta presión formando una masa opuesta a los huecos, con lo que se
desarrolla una barrera vertical opuesta al movimiento de los fluidos.
b) Alta presión en una cementación forzada es una indicación positiva de
un trabajo exitoso.
c) Al cortarse la inyección de lodo automáticamente se abren las
perforaciones.
Los conceptos modernos sobre cementación forzada demuestran que es el
filtrado del cemento y no la totalidad del cemento que entra a formación. El sello
inicial es el filtrado del cemento formado por las partículas sólidas que quedan
fuera en la cara de la formación, cuando el filtrado es forzado a entrar en la
formación permeable.
Una cementación forzada o cementación de remedio es una operación donde la
lechada de cemento se inyecta con fuerza dentro de los espacio vacíos o
evacuados de la formación o en el anillo del “casing” o wellbore a través de la
perforación del “casing”, con propósitos de remediación.
Diferente a otros procesos de cementación, como cementar un tapón o
cementación primaria del “casing”, se realiza sin aplicar presión diferencial al
cemento instalado, la cementación forzada se obtiene al aplicar presión diferencial
a la lechada del cemento.
En el pasado, una alta presión final en la cementación forzada se consideraba
como una indicación positiva de éxito en el trabajo. Sin embargo, una presión final
42
alta puede ocurrir debido a que el cemento se ha deshidratado y se tienen
puentes detrás del “casing” o perforaciones. Por lo tanto, no siempre a una alta
presión final en la cementación forzada significa trabajo exitoso.
En el caso donde el cemento en el anular contiene canales de fluido o filtrado de
lodo, el cemento se deposita en los canales desplazando al fluido o filtrado de
lodo.
Terminología de la cementación forzada
Breakdown: Significa quebrar o fracturar una formación. Para los objetivos de una
cementación forzada, el “breakdown” es un término no deseado. Dado que se trata
es de obturar los huecos o perforaciones haciendo que éstos admitan lechada de
cemento en forma uniforme sin quebrar o fracturar una formación.
Una fractura generalmente admite una lechada en grandes volúmenes pero no
necesariamente se ubica en la zona requerida. Asimismo, requiere mayores
volúmenes de lechada de cemento y tiempo de operación, con lo cual se
incrementan los costos.
De manera que lo aconsejable es antes de hacer un trabajo de cementación
forzada, establecer una presión de ruptura mediante una prueba de inyectividad y
no pasarse de ese límite, asegurando que la formación tomará filtrado de
cemento y no la totalidad del cemento.
Gradiente de fractura: Está íntimamente relacionado con la prueba de inyectividad,
parámetro que permite establecer el valor de la presión de ruptura de la formación.
Una vez que se inicia la fractura, la extensión de la misma requiere menor presión
que la de su creación.
Frecuentemente, se indica que para quebrar una formación, se requiere levantar la
presión a la sobrecarga “overburden” (litostática). También se asume que de la
densidad promedio de la formación, se puede anticipar un gradiente de fractura no
menor a 1 psi por pie de profundidad.
43
Este es un número redondo y de fácil aplicación en los cálculos, pero en la
práctica se tiene que debido tanto a los esfuerzos estructurales de la corteza
terrestre como a las propiedades elásticas de las rocas, pueden producirse
fracturas a valores tan bajos como 0.6 psi/ pie, básicamente a mayor profundidad.
Esto se debe a que las fracturas se producen en forma perpendicular a la
dirección de menor esfuerzo que en el caso de formaciones profundas no es
litostática.
Las formaciones a profundidad mayor a 3,000 metros si son fracturadas, se
producen fracturas verticales y a menor profundidad horizontales.
La geometría de la fractura depende de la relación del fluido inyectado y de las
características de viscosidad y pérdida del fluido.
El fracturamiento de la formación durante la cementación forzada a alta presión
puede ser contraproducente debido a la posibilidad de que se forme una gran
fractura vertical a través de los contactos gas o agua. Cuando se realizan trabajos
de cementación forzada a fin de aislar dichas zonas de una zona de petróleo. Una
vez que se crea la fractura debe ser sellada con cemento, pero es difícil lograrlo
porque la fractura es inicialmente creada con lodo al que hay que intentar sacarlo.
Otro problema es que el lodo que llene las perforaciones puede permanecer en él
a grandes presiones diferenciales. También las perforaciones pueden no ser
forzadas a abrirse cuando la formación se fractura a alta presión. Diversos
trabajos de cementación forzada fallidos se atribuyen a la no limpieza de las
perforaciones taponeadas con lodo después de la cementación forzada.
Presión de tratamiento en el fondo del pozo: Resulta de la suma de la presión de
superficies, la presión hidrostática de la columna de tratamiento en el momento
del trabajo menos las pérdidas de fricción.
No es deseable fracturar una formación y ésta se puede fracturar a una presión
menor que la calculada, el problema que se requiere definir es el de la presión de
operación máxima que se usa con seguridad.
44
Esta presión es el gradiente multiplicado por la profundidad.
Grad. * Profundidad= presión cabeza + presión hidrostática – pérdidas por fricción
En una cementación forzada las pérdidas de presión por fricción son
despreciables debido a la baja relación de bombeo.
Sobre esta base, la máxima presión de bombeo en superficie es igual a la presión
de tratamiento en el fondo del pozo (gradiente * profundidad) menos la presión
hidrostática ejercida por los fluidos bombeados, menos un factor de seguridad
conveniente, que generalmente se considera de 500 psi.
4.2 Técnicas de cementación forzada
Se define como las presiones obtenidas altas o bajas y por los tipos de
obturadores “packers” permanentes o recuperables a usarse.
4.2.1 Cementación forzada a baja presión
Se realiza cuando la presión del fluido en el espacio anular del pozo se mantiene
debajo de la presión de fractura de las formaciones expuestas, antes y durante el
tiempo que la lechada de cemento este en contacto con las formaciones. En la
práctica, la presión en la cementación forzada esta entre 300 a 1000 psi debajo de
la presión de fractura.
La cementación forzada a baja presión, se dirige a través de los intervalos
perforados aplicando presión suficiente para formar una costra de filtrado de
cemento deshidratado en las perforaciones y en los canales o fracturas que
pueden ser abiertas a las perforaciones. Baja pérdida de fluido de cemento (50 a
100 cc/30 min API de pérdida de fluido) y trabajos con fluidos de limpieza deben
usarse.
El uso de lechadas de cemento con una baja pérdida de fluido reduce la relación
de deshidratación sin permitir puentes y se fuerza la lechada de cemento a lo
largo de los intervalos abiertos o canales.
El procedimiento de una cementación forzada a baja presión es como sigue:
45
1) Iniciar la inyección.- Determinar la presión de inyección pozo abajo. Si
la relación de inyección es pobre o bajo a la máxima presión permisible
sin fracturar la formación, realizar un trabajo de acidificación para
mejorar la inyección.
2) Circular una lechada de cemento en la localización deseada de la
tubería.
3) Aplicar una presión moderada de cementación forzada. Tener en cuenta
que la lechada del cemento aumenta la presión hidrostática.
4) Gradualmente incrementar la presión pozo abajo de 500 a 1000 psi
encima de la presión requerida para iniciar el flujo. Cuando el flujo cesa
por alrededor de 30 minutos parar el desplazamiento de la lechada de
cemento y levantar la presión. No exceder la presión en la
recementación.
5) Mediante circulación inversa extraer del “casing” el exceso de cemento
o levantar el empacador y la sarta de trabajo dejando el cemento que
posteriormente será removido.
4.2.2 Técnica de cementación forzada (Braden head)
Es el método original de cementación forzada. Se efectúa a través del “tubing” o
“drill pipe” sin uso de empacador.
Una vez que la lechada se circula a la zona a ser recementada (se calcula por la
cantidad de fluido desplazado) el “drill pipe” o “tubing” se levanta por encima del
cemento y las perforaciones. El BOP (impide reventones) se cierra a fin de evitar
el flujo del anillo, aplicando presión al “drill pipe” o “tubing” y forzando a que la
lechada se deshidrate contra la formación. El exceso de cemento en la sarta de
trabajo y “casing” puede ser sacado por circulación inversa o perforación posterior
después de que el cemento se ha colocado.
El método es de uso extensivo en trabajos de cementación forzada a pozos
superficiales donde se requieren bajas presiones.
46
Sus desventajas son:
1.- No es una técnica precisa para ubicar el cemento.
2.- No puede aplicarse en donde existen diversos intervalos abiertos o
donde el “casing”, encima de la zona de interés no soporta presiones altas.
4.2.3 Técnica de cementación forzada con empacador
Esta técnica de recementación recuperable o no recuperable se efectúa sobre el
“Tubing” o “drill pipe” en la posición cercana a la zona a ser recementada. En
algunas ocasiones, la sección debajo de la zona a operada se aísla con un tapón
puente.
El procedimiento es el siguiente:
a) Correr el empacador a la profundidad deseaday realizar una prueba de
presión a través del anillo para asegurarse que no falla.
b) Realizar la prueba de inyección a fin de determinar la presión de ruptura de
la formación.
c) Mezclar y desplazar el cemento a la zona a ser recementada. El cemento
puede ser desplazado hasta alcanzar el final del “drill pipe” o “tubing” o
colocarse frente a la zona a cementar.
d) Asentar el empacador y aplicar la presión necesaria en la recementacion. El
empacador se asienta de 30-60’ de la perforación por encima de la lechada
de cemento, a fin de prevenir que el empacador sea mojado por el
cemento.
e) El exceso de cemento puede ser sacado en forma inversa o dejarse para
perforse posteriormente.
Las principales ventajas de la técnica de cementación forzada (squeeze) con el
empacador son:
1) La lechada de cemento puede ubicarse frente a la zona a ser cementada.
2) Contraflujo e interrupción de la formación de enjarre de filtrado se previene.
47
3) Las perforaciones se aislan de presiones de circulación encima del
empacador.
4) Los empacadores recuperables pueden asentarse y extraerse
repetidamente en un solo viaje, tanto como se requiere ubicar huecos o
perforaciones en la tubería.
5) Se usan para una cementación forzada a baja o alta presión.
6) Es posible recementar múltiples zonas en el mismo viaje si el tapón puente
es recuperable y el empacador se corre simultáneamente.
La ubicación del empacador, es importante y se debe considerada en cualquier
operación. Si el empacador se asienta demasiado lejos de las perforaciones,
volúmenes excesivos de fluidos o lodo serán desplazados de la formación delante
de la lechada o esta puede canalizarse a través del lodo.
4.2.4 Técnica de cementación forzada con “Hesitation”
Esta técnica se usa en aplicaciones de alta o baja presión. El aspecto principal de
la técnica es alternar el bombeo “hesitation” con la idea de estimular el enjarre del
filtrado de cemento.
No es una ciencia exacta sino una operación a detalle, debido a que el tiempo de
bombeo y la presión cambian en la operación y las esperas son de acuerdo con
las experiencias que se observen. Las alternativas de bombeo durante la
operación “hesitation” continúan hasta que la presión final se obtenga.
El método de mayor uso en la recementación es a baja presión, cuando esta
presión alcanza su máximo antes de que una apreciable lechada de cemento se
obtenga. Para bombear más cemento, se requiere parar el bombeo, esperar que
la presión caiga debajo de la presión de bombeo máxima y reiniciar la operación
con más cemento.
4.2.5 Técnica de cementación forzada corrida
A diferencia de la técnica de cementación forzada con esta técnica nueva se logra
por inyección continua de lechada de cemento hasta que la presión final de
bombeo se obtenga.
48
Este servicio se obtiene con “squeezes” a alta o baja presión.
4.3 Tapones de cemento
Los tapones de cemento se usan en los pozos por diversas razones.
En esta operación, los problemas generalmente se presentan en la etapa de
fraguado de las mismas, pero se origina durante la etapa de desplazamiento como
resultado de la contaminación y disolución del lodo en el cemento. Los tapones de
cemento se usan durante la vida productiva del pozo y la técnica de colocación
varía en forma controlada.
Las razones para la aplicación de un tapón de cemento son:
Aislamiento de la zona A veces por razones económicas y de producción en dos o más zonas, es
beneficioso abandonar una zona, colocando un tapón de cemento encima de la
zona a fin de evitar una posible pérdida de producción, o también una pérdida en
la calidad del producto a obtener debido a la mezcla de petróleo de menor valor
con otro de superior condición.
Control de pérdida de circulación
Durante una operación, tanto en la etapa de perforación como de producción, si
existe una pérdida de circulación, es posible restaurarla colocando un tapón de
cemento encimade la zona ladrona.
Desvío lateral o perforación direccional Para desviar lateralmente la perforación alrededor de una “herramienta pérdida
definitivamente” que obliga a parar la perforación, se tiene la necesidad de colocar
un tapón de cemento a una profundidad específica a fin de ayudar a soportar la
columna, lo que permite orientar a la barrena a una desviación determinada.
Tapones de abandono Para sellar formaciones no productivas o deflexiones, un tapón de cemento se
coloca a la profundidad requerida lo que ayuda a evitar comunicación de zonas
que producen fluidos no deseados.
49
En toda operación de colocación de tapones de cemento, representa un problema
la pequeña cantidad de cemento en relación con el volumen de fluidos que soporta
el pozo.
4.3.1 Tapón balanceado
El procedimiento operativo para su cálculo es el siguiente:
A partir del Manual de Datos de Campo, se encuentra el volumen en barriles por
pie lineal tanto del espacio anular como de la tubería de perforación. La relación
del volumen de la tubería con el volumen anular es un factor conveniente para el
balanceo de las columnas de fluido. Esta se encuentra dividiendo el volumen de la
tubería entre el volumen del anular después de determinar el volumen del
espaciador, el lavado químico o el agua que se va a usar antes de la lechada de
cemento. Multiplicar dicho volumen por la relación tubería-espacio anular. El
resultado es el volumen del fluido que debe usarse en la tubería detrás de la
lechada de cemento para balancear la columna del espacio anular.
Pasos para balancear un tapón de cemento:
1) Volumen de la lechada de cemento en pies cúbicos y número de sacos
requeridos.
[ ]
[ 3
]
(4.4)
3
(4.2)
2) Lavado químico del balance
(4.3)
50
3) Cálculo de la altura de la columna de cemento balanceada antes de sacar
la tubería:
3
[ 3
] [ 3
]
(4.4)
4) Volumen del desplazamiento del lodo:
[ [
]]
(4.5)
51
CAPÍTULO 5
LECHADA DE CEMENTO COMO CEMENTACIÓN FORZADA
5.1.- Constituyentes y reacciones
Las lechadas de cemento se forman por las componentes de agua y cemento. A
los cuales se incorporan pequeñas cantidades de aditivos para modificar sus
características. La mezcla no es estable, una vez que se forma se inicia una serie
de reacciones físico-químicas complejas que modifican su consistencia, pasando
de un estado fluido inicial a un estado sólido final, irreversible, en un tiempo
relativamente corto.
La composición de un cemento anhidro no es fija, variando entre ciertos límites.
Realizando el proceso físico-químico de clinquerización resultan compuestos
complejos en las proporciones dadas por la tabla II (ver anexos).
Los silicatos tricálcico y dicálcico forman aproximadamente las ¾ partes de los
constituyentes del cemento.
Los cementos retardados se caracterizan por tener bajo contenido de aluminato
tricálcico y mayor contenido de aluminato tetracálcico.
El proceso de hidratación de los componentes del cemento en presencia de agua
es exotérmico, desprendiendo calor, al cabo del cual en procesos complejos
resultan compuestos estables.
En condiciones normales de temperatura, la hidratación tiene lugar en 3 etapas,
cada una de las cuales tienen un efecto térmico de diferente intensidad.
a) Empaste con agua: Se produce de inmediato al contacto con el agua,
observándose una importante elevación de temperatura del orden de 0.4
calorías por gramo y por minuto, por el espacio aproximado de 15 minutos
relacionado con la rápida reacción del aluminio tricálcico. Esta reacción se
atenúa por la presencia de sulfato en solución, proveniente del yeso, que
forman sulfoaluminatotricálcico, conforme a la ecuación,
52
3CaO2Al2O3+3SO4Ca+31H2O ------------------> 3CaO.Al2O3 .3SO4Ca.31H2O
La formación de sulfoaluminatotricálcico origina retardo en el tiempo de
fraguado, ligado a la solubilidad del SO4Ca y del Ca(OH)2.
Los elementos superficiales del cemento se solubilizan hasta la saturación
del agua de hidratación.
b) Periodo inicial del fraguado: Se extiende por un periodo de 3 a 10 horas,
después que la saturación del agua de hidratación por cemento ocurre. Se
desprende calor de 40 a 50 calorías por gramo y por minuto debido a la
hidratación de los silicatos.
La hidratación se atenúa paulatinamente a medida que disminuye la
superficie de los granos anhidros y se registra un aumento de resistencia
por la formación de un gel compuesto por silicatos.
c) Periodo final de fraguado: Comienza cuando la transformación del yeso en
sulfoaluminatotricálcico se hace importante y corresponde a la hidratación
total de los aluminatos que queden por reaccionar.
Las etapas no se realizan en forma selectiva, las reacciones se inician
simultáneamente y están determinadas por el tamaño de las partículas
(superficie efectiva) y por la presencia de materias orgánicas que
absorbidas por la superficie de las partículas, modifican las reacciones de
hidratación.
Por otro lado, el proceso de hidratación se acelera con la presión y
temperatura.
Para la cementación las dos primeras etapas del proceso de hidratación
son las importantes por el rápido aumento de la temperatura de la zona
cementada cuando aún el cemento no alcanza su resistencia final.
53
5.2.- Tipos de lechada de cemento
Con el objeto de uniformizar criterios y establecer bases de comparación del
comportamiento de las lechadas de cemento aptas en la industria del petróleo se
tienen normas API que señalan clases y tipos de cemento y sus requisitos físico-
químicos.
Dicha clasificación es:
Clase A.- Desarrollado para usarse hasta 6000 m de profundidad (170°F),
cuando no se requiere de condiciones especiales.
Clase B.- Desarrollado para usarse hasta 6000 m de profundidad (170°F),
cuando se requiere de una moderada resistencia al sulfato.
Clase C.- Usado hasta 6000 m de profundidad (170°F), cuando se requiere
de alta resistencia al sulfato y rápida resistencia del cemento.
Clase D.- Usado en profundidad que varían de 6000 a 12000 m (260°F),
con alta temperatura y presión.
Clase E.- Desarrollado para usarse en profundidades que varían de 6000 a
14000 m (290°F), con alta temperatura y presión.
Clase F.- Desarrollado para usarse en profundidades que varían de 10,000
a 16,000 m (320°F), con alta temperatura y presión.
Clase G.- Usado hasta 8000 m de profundidad (200°F), con condiciones
básicas.
5.3.- Reología de la lechada de cemento
54
Las lechadas de cemento son fluidos no-newtonianos, de manera que para poder
predecir su comportamiento hidráulico no solo se requiere del parámetro de
viscosidad.
Estudios realizados durante las primeras horas de hidratación de las lechadas de
cemento determinaron curvas R.P.M en función de los momentos de torsión, con
velocidades crecientes y decrecientes.
Con estos registros se evaluaron parámetros tales como punto de cedencia
(“yieldpoint”) y viscosidad plástica, relacionadas con las siguientes variables de las
lechadas del cemento.
Composición química de los cementos.
Condiciones de mezcla.
Superficie efectiva y temperatura de hidratación.
Los resultados obtenidos mostraron 3 tipos de comportamiento reológico:
A) Antitixotrópico: Comportamiento correspondiente a lechadas de cemento
recién preparadas, con agitación y poco tiempo de hidratación. Presenta
como característica una curva de fluencia o fluidez, en la cual la porción
descendente (disminución de las r.p.m.) está al lado derecho de la curva
ascendente (aumento de r.p.m.).
B) Reversible: Comportamiento correspondiente a lechadas de cemento
que se dejaron hidratar durante 45 minutos y en donde ocurre la
superposición de las curvas ascendente y descendente.
C) Tixotrópico: Predominante en las lechadas de cemento y en donde la
curva ascendente está al lado derecho de la curva descendente.
La Tixotropía es una característica del gel que se forma por la hidratación de los
silicatos de calcio del cemento, los cuales están integrados por partículas en forma
de placas o fibras en contacto en algunos puntos. El orden de las partículas
floculares, conduce a un reticulado tridimensional de sólidos en un medio líquido.
55
El proceso de fraguado se inicia una vez que se forma una cantidad suficiente del
gel que permita aumentar los valores del punto de fluidez y viscosidad plástica de
las lechadas de cemento a un grado característico.
El proceso de fraguado se modifica por eliminación de agua, ya sea por
evaporación o reacción química. De esta manera el aluminato tricálcico aumenta
la consistencia de las lechadas de cemento.
Los parámetros reológicos están relacionados con índices que definen al fluido en
una técnica analítica de un procedimiento normalizado.
Así se tiene:
a) Índice de comportamiento del fluido (n´).
b) Índice de consistencia del fluido (k´).
En el viscosímetro estos valores están dados por 1
N= 3.32log (lect.600 rpm /lect.300 rpm)
K= (lect.300 rpm/100x479xn)
VP= lect.600 rpm – lect.300rpm
YP = lect.300 rpm – VP
Donde
VP = Viscosidad plástica
YP = Punto de cedencia (yieldpoint)
5.4.- Diseño de una lechada de cemento
Los siguientes son factores a considerar cuando se diseña una lechada:
a) Control de pérdida de fluido.
b) Volumen de lechada de cemento.
c) Presión de “squeeze”.
d) Tiempo de espesamiento.
e) Tipo de fluido de “workover” o lodo.
56
CAPÍTULO 6
PROCEDIMIENTO OPERACIONAL DE UNA CEMENTACIÓN
FORZADA PARA REALIZAR TAPÓN DE CEMENTO CON
RETENEDOR A 2920M EN EL POZO XXXX-00
6.1 Introducción
Esta etapa se perforó con una barrena de 10 5/8 pulgadas hasta 3,133 mD, donde
se presentó una pérdida total de fluidos que no permite continuar con la
perforación. Por tal motivo se bombea un tapón de cemento con retenedor cuya
finalidad es restablecer la circulación y continuar perforando.
6.2 Objetivo del trabajo
El objetivo de la cementación es el bombeo de un tapón de cemento con retenedor
que permita controlar la pérdida de fluido para continuar con la perforación de la
etapa de 10 5/8 pulgadas.
6.3 Información para diseño
6.3.1 Datos del pozo
Datos del pozo
Nombre del pozo: XXXX-00
Plataforma: XXXX
Tirante de agua(m): 65.83
Altura a mesa rotaria(m): 48.17
Tabla 6.1 Datos del pozo
57
6.3.2 Datos en agujero descubierto
Datos en agujero descubierto
Profundidad del pozo (mD): 3,133
Diámetro de la barrena (pulgadas): 10 5/8 pulgadas
Exceso de agujero: 0%
Diámetro equivalente de pozo (pulgadas): 10.625
Tabla 6.2 Datos en agujero descubierto
6.3.3 Datos de la tubería AGUJERO DESCUBIERTO
Datos de tubería anterior
Longitud (m): 0 - 1,788
Diámetro externo (pulgadas): 11 7/8
Diámetro interno (pulgadas): 10.711
Drift (pulgadas): 10.555
Presión de estallido (psi): 8,150
Presión de colapso (psi): 5,080
Tipo de rosca: VSLIJ-II
Libraje (lb/pie): 71.8
Grado de acero: TRC-95
Longitud (m): 1,788 – 2,798
Diámetro externo (pulgadas): 11 7/8
Diámetro interno (pulgadas): 10.711
Drift (pulgadas): 10.555
58
Presión de estallido (psi): 9,430
Presión de colapso (psi): 7,580
Tipo de Rosca: VSLIJ-II
Libraje (lb/pie): 71.8
Grado de acero: TAC-110
Longitud (m): 2,798 – 2,950
Diámetro externo (pulgadas): 11 7/8
Diámetro interno (pulgadas): 10.711
Drift (pulgadas): 10.555
Presión de estallido (psi): 12,010
Presión de colapso (psi): 8,480
Tipo de rosca: VSLIJ-II
Libraje (lb/pie): 71.8
Grado de acero: TAC-140
Tabla 6.3 Datos de tubería anterior
59
6.3.4 Estado Mecánico
60
6.3.5 Reporte de propiedades del fluido en el pozo
Lodo emulsión inversa
Densidad (g/cm³): 1.02
Viscosidad plástica (cps): 9.8
Punto de cedencia (lbf/100 pies²): 4.1
Porcentaje de sólidos (%): 6
Relación Aceite/Agua: 70/30
Tabla 6.4 Tabla de lodo de emulsión inversa
6.3.6 Datos de temperatura del pozo
Temperatura de referencia
Temperatura estática @ 3,133 mD (°C): 109
Temperatura circulante (°C): 109
Gradiente de temperatura (°C/100 m): 2.77
Tabla 6.5Tabla de temperaturas del pozo
6.3.7 Trayectoria del pozo
Trayectoria
Ángulo de desviación máximo
programado(°):
29.56
Ángulo de desviación máximo real(°): 30.03
Profundidad desarrollada total (MD): 3,133
Profundidad vertical total (MV): 2,965
Tabla 6.6Tabla de trayectoria del pozo
61
6.3.8 Datos de la formación a intervenir
Datos de la columna geológica
Formación: Eoceno Medio, Paleoceno
Composición Principal: Calcáreo
Gradiente de Fractura @ 3,133 mD
(g/cm³):
1.98
Gradiente de Fractura @ 2,950 mD
(g/cm³):
2.02
Gradiente de Poro @ 3,133 mD (g/cm³): 0.87
Gradiente de Poro @ 2,950 mD (g/cm³): 1.15
Tabla 6.7Tabla de datos de la columna Geológica
6.4 Fluidos y secuencia de bombeo
6.4.1 Datos de bache espaciador
Ultra flush II para lodo base agua
Volumen (bbl): 70 Adelante + 10 Atrás
Densidad (g/cm³): 1.2
Tirante en agujero descubierto (m): 194.5
Tiempo de contacto a 4 bpm (min): 17.5
Tabla 6.8Datos de bache espaciador
6.4.2 Datos de lechada
Lechada Única
Volumen (bbl): 144
62
Densidad (g/cm³): 1.90
Rendimiento (L/Sc): 50.31
Requerimiento de agua sola (L/Sc): 25.89
Volumen de cemento puro (Sacos): 455.0
Peso de cemento puro (Toneladas): 22.75
Tirante de cemento (m): 213
Tope de cemento (m): 2,920
Base de cemento (m): 3,133
Tabla 6.9Datos de lechada
6.5 Personal y equipo
Cantidad Función
1 Especialista técnico en cementaciones.
1 Operador de unidad de alta presión.
2 Operador de unidad recirculadora.
Tabla 6.10Tabla de personal
Cantidad Equipo
1 Rack de tubería 1502 de 2 pulgadas.
1 Skid de monitoreo.
1 Bombas Wilden.
1 Tanque recirculador para preparar baches.
Tabla 6.11Tabla de equipo
63
6.6 Requerimientos operacionales
1. Es obligatorio que los silos se encuentren completamente limpios y libres de
cualquier material. Para cumplir lo anterior, se deben sopletear los silos y líneas
de distribución de cemento. Se debe confirmar la correcta limpieza de los silos
abriéndolos y en caso de ser necesario completar la limpieza de los mismos.
2. Verificar el libre flujo de las líneas para cemento antes del trabajo para asegurar
que este puede ser entregado de los silos de la plataforma a la unidad de
cementación sin restricciones de acuerdo con los gastos requeridos en el
programa.
3. Verificar el correcto funcionamiento de todos los equipos a usar en la operación.
4. Verificar que las cajas de la UAP y las presas de bache a usar se encuentren
limpias y en condiciones para ser operadas. En caso de no ser así, realizar la
limpieza de las cajas UAP y/o solicitar al encargado de la plataforma la limpieza
de las presas de baches.
5. Con tubería en el fondo, verificar la eficiencia de las bombas del equipo, mínimo
a 2 bombas de las disponibles en el equipo.
En caso de observar pérdida de fluido de control durante la circulación, se
debe controlar la pérdida antes de iniciar la cementación.
No se recomienda realizar el trabajo de cementación con pérdida total o
parcial de circulación, puesto que no permitiría garantizar un buen
aislamiento de la zona.
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6. Asegurar el control del pozo, sin gasificación ni pérdida de circulación, ni efecto
balloning. Esto incrementa las probabilidades de obtener un buen aislamiento
por zona.
7. Con la condición de pérdida total de fluido de control no se puede tener un buen
control del desplazamiento de la lechada y por ende tampoco se tiene control
sobre el desplazamiento de los fluidos, este evento compromete la cima
programada de cemento, puede causar la contaminación de la lechada y/o la
consistencia del mismo, lo cual lleva a no conseguir el propósito de la
operación.
8. El Supervisor y el Ingeniero a cargo del trabajo verificarán la información final
del pozo e independientemente deben realizar los cálculos de la operación.
9. Para este trabajo es necesario que la compañía operadora de la plataforma,
provea un gasto mínimo de 6.0 bpm de suministro de lodo emulsión inversa
hacia la unidad de alta presión para usarse en el desplazamiento.
10. Se recomienda realizar el mezclado del bache espaciador siguiendo las
indicaciones y orden de mezclado proporcionado por laboratorio. Es importante
que durante la preparación del bache espaciador se mantenga el pozo
circulando, evitando si es posible, que el pozo permanezca estático. En caso
contrario, la temperatura de fondo se incrementará, la eficiencia de remoción y
limpieza del bache espaciador puede disminuir, además se afecta el tiempo
bombeable de la lechada.
65
6.7 Procedimiento operativo
1. Con retenedor de cemento a 2,920 metros proceder a anclar y verificar el
asentamiento del mismo de acuerdo a las indicaciones del operador.
Nota:En caso de no realizar prueba de presión anular al retenedor tener presente
que se puede generar comunicación por el anular entre el retenedor y la TR.
2. Conectar líneas de bombeo y cables de monitoreo en tiempo real, establecer
conexión y calibrar densímetro, gasto y presión.
3. Efectuar reunión de seguridad y operacional con el personal involucrado. Enfatizar
sobre puntos críticos tales como, presiones, gastos y planes de contingencia.
4. Definir las tareas a realizar durante la operación y asignarlas de manera individual.
5. Asegurarse de que todo el personal de cementaciones cuente con medio de
comunicación efectivo para ser utilizado durante la operación.
6. Realizar prueba de líneas de cementar en baja con 500 psi y en alta con 2500 psi,
durante 10 minutos si la prueba es exitosa, continuar con el programa; de lo
contrario corregir anomalía y efectuar nuevamente la prueba.
7. Con el silo presurizado, la UAP probada, iniciar el bombeo de 11.03 m3 (70 bbl) de
espaciador para lodo base aceite Ultra Flush II de 1.20 g/cm3, bombeados por la
unidad de alta presión a un gasto de 4 bpm.
8. Realizar limpieza de cajas y continuar con el bombeo de 22.89 m3 (144 bbl)
lechada única de 1.90 g/cm3 a 3 bpm con la unidad de alta presión.
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9. Bombear 1.98 m3 (10 bbl) de Bache Espaciador Ultra Flush II para lodo base
aceite de 1.20 g/cm3 @ 2 bpm con la UAP.
10. Continuar el desplazamiento del cemento con un total de 8.58 m3 (54 bbl) de lodo
de 1.20 g/cc, bombeados de la siguiente manera:
a) Bombear 6.36 m3 (40 bls) de lodo de 1.02 g/cc a 4 bpm con la UAP.
b)Bombear 2.22 m3 (14 bls) de lodo de 1.02 g/cc a 2 bpm con la UAP.
Nota 1:Para los cálculos se estimó que la presión no genera pérdida a la
formación, partiendo del nivel de fluidos a 1,194 metros de superficie (según
registro de cable)
Nota 2:Mantener control sobre el volumen desplazado y la presión en caso que la
formación no admita todo el cemento que quiere ser forzado.
Nota 3:En caso de registrar aumento de presión buscar presión de cierre a bajo
gasto cuidando que el tiempo de la operación (Incluyendo levantar la tubería) no
exceda el tiempo bombeable de la lechada.
11. Finalizado el desplazamiento parar bombeo levantar la tubería dejando el cemento
testigo sobre el retenedor.
12. Continuar levantando tubería hasta completar un total de 15 lingadas sin llenar la
tubería (longitud promedio de 29 m por lingada), las primeras 3 lingadas a una
velocidad contralada de 7 min/lingada, posteriormente levantar a una velocidad de
3 min/lingada hasta +/- 2,485 m.
Nota:El tiempo para sacar la tubería del tirante de cemento no debe ser mayor a
30 minutos, esto para evitar la formación de geles que puedan causar el
atrapamiento de la tubería, por lo que es imperativo que la plataforma esté en
condiciones para sacar la tubería a la velocidad propuesta.
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13. Estando la punta de la tubería a 2,485 m, dar un bombazo (15 bbl
aproximadamente) para limpiar residuos de cemento, solo en caso de ser
necesario.
14. Levantar la tubería hasta superficie y esperar fraguado del cemento. TOTAL (m3)
VOLUMEN MUERTO (m3) CAPACIDAD E
CAPACIDFECTIVA TOTAL: 49.58
68
CONCLUSIONES
Como consecuencia de lo expuesto en el marco teórico, hemos de concluir que;
para la técnica de cementación forzada, es importante considerar las
características de las formaciones que estarán en contacto directo con el cemento
debido a que de acuerdo a ello se diseñan los fluidos y aditivos a emplear en la
operación. De igual manera, La caracterización reológica adecuada de los fluidos
es indispensable para asegurar un bombeo óptimo. Es indispensable anticipar
antes de realizar la cementación los problemas potenciales a los que se va a
enfrentar el ingeniero a cargo durante la operación, tales como flujos someros de
agua y gas, bajo gradiente de fractura, ambientes de altas presiones y bajas
temperaturas.
El uso de simuladores se ha convertido en una herramienta valiosa para el diseño
óptimo de la operación de cementación en aguas profundas, sin embargo se
requiere una correcta interpretación por parte del ingeniero, de lo contrario la
ejecución de la operación puede no resultar como se diseñó. Un mal diseño de la
lechada de cementación trae problemas altamente costosos que pueden ser
desde pérdidas parciales hasta totales y descontrol del pozo. La evaluación final
de la calidad de la cementación es de fundamental importancia, por medio de ella
se puede saber si se cumplieron los objetivos o saber dónde se necesita una
cementación remedial.
La técnica de cementación forzada requiere de un mayor grado de complejidad
que la cementación primaria ya que es más difícil y mas amplia en su aplicación.
Las operaciones de la cementación forzada pueden ser desarrolladas durante la
perforación o la terminación de un pozo o para su reparación o intervención
posterior.
La cementación forzada es necesaria por muchas razones, pero probablemente el
uso mas importante es el de aislar la producción de hidrocarburos de
aquellasformaciones que producen otros fluidos.
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RECOMENDACIONES
Asegurar la existencia de equipos de protección personal (EPP) apropiado
en el lugar, que el personal involucrado tenga acceso a ellos.
Verificar que se cuente con todo el equipo y herramienta de trabajo antes
de iniciar la operación.
Ejecutar correctamente cada paso de las operaciones durante la
cementación.
Cualquier derrame de cualquier material en el lugar de trabajo debe ser
eliminadoapropiadamente.
Protección de la salud, seguridad y medio ambiente es responsabilidad de
todos y requiere la participación directa de todos los gerentes, supervisores
y empleados.
Asegúrese de que la regadera de emergencia este colocada de manera que
el personal tenga fácil acceso a la misma. Esta regadera siempredeberá
probarse antes de cualquier manipulación de material químico.
Protección de la salud, seguridad y medio ambiente es responsabilidad de
todos y requierela participación directa de todos los gerentes, supervisores
y empleados.
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